純電動(dòng)汽車前艙電驅(qū)動(dòng)總成布置架構(gòu)分析

純電動(dòng)汽車前艙電驅(qū)動(dòng)總成布置架構(gòu)分析摘要：電驅(qū)動(dòng)總成是純電動(dòng)汽車的核心部件，其位置的確定是整車前艙布置的關(guān)鍵，關(guān)系到整車性能、前艙架構(gòu)策略及平臺(tái)拓展能力。文章旨在建立一種純電動(dòng)汽車前艙布置架構(gòu)，分析了純電動(dòng)汽車前艙布置空間特點(diǎn)，圍繞前艙關(guān)鍵部件電驅(qū)動(dòng)總成位置，研究了前艙電驅(qū)動(dòng)總成布置過程中關(guān)鍵尺寸因子的影響關(guān)系，并總結(jié)得出了純電動(dòng)汽車前艙電驅(qū)動(dòng)總成的布置方法及周邊子系統(tǒng)的布置原則。關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；電驅(qū)動(dòng)總成；前艙布置架構(gòu)；懸置布置原則AnalysisoftheLayoutArchitectureoftheElectricDriveAssemblyinthefrontCompartmentofBatteryElectricVehicleAbstract:Electricdriveassemblyisthecorecomponentofbatteryelectricvehicle,anditslocationisthekeytothefrontcompartmentlayoutofthevehicle,whichisrelatedtothevehicleperformance,frontcompartmentarchitecturestrategyandplatformexpansionability.Thispaperaimstoestablishalayoutarchitectureforthefrontcompartmentofbatteryelectricvehicle,analyzesthespatialcharacteristicsofthefrontcompartmentlayoutofbatteryelectricvehicle,studiestherelationshipbetweenthekeysizefactorsinthelayoutofthefrontcompartmentelectricdriveassemblyaroundthepositionofthekeycomponentsofthefrontcompartmentelectricdriveassembly,andsummarizesthelayoutmethodofthefrontcompartmentelectricdriveassemblyofbatteryelectricvehicleandthelayoutprinciplesofthesurroundingsubsystems.Keywords:Batteryelectricvehicle;Electricdriveassembly;Frontcompartmentlayoutstructure;Pri-ncipleofsuspensionarrangement相比于傳統(tǒng)燃油汽車，純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)和工作原理存在較大的區(qū)別，因此，在整車及關(guān)鍵零部件的布置方面也不盡相同。為探尋電動(dòng)汽車的布置方法，不同學(xué)者從不同維度進(jìn)行了研究。王建華等[1]對(duì)電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)總成的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)得出了電驅(qū)動(dòng)總成的發(fā)展方向；耿琦[2]基于燃油汽車平臺(tái)改制的一款A(yù)0級(jí)別的電動(dòng)汽車，研究與介紹了電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件的布置方案；余碩乾等[3]對(duì)純電動(dòng)汽車前艙下車體的主系統(tǒng)進(jìn)行了分類，通過相本文根據(jù)純電動(dòng)汽車前艙布置空間特點(diǎn)，提出了一種純電動(dòng)汽車前艙布置架構(gòu)，基于此布置架構(gòu)分析了前艙電驅(qū)動(dòng)總成布置過程中關(guān)鍵尺寸因子的影響關(guān)系，總結(jié)得出了純電動(dòng)汽車前艙電驅(qū)動(dòng)總成的布置方法及周邊子系統(tǒng)的布置原則。1前艙電驅(qū)動(dòng)總成結(jié)構(gòu)選型電驅(qū)動(dòng)總成是針對(duì)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的一種機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器和控制器組成。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器的集成方式，電驅(qū)動(dòng)總成可分為平行軸式和同軸式兩種結(jié)構(gòu)形如圖1所示，平行軸式電驅(qū)動(dòng)總成是在驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端的外殼下部，安裝機(jī)械式傳動(dòng)裝置減速器齒輪以及差速器齒輪，差速器帶動(dòng)左右兩個(gè)半軸來驅(qū)動(dòng)車輪。如圖2所示，同軸式電驅(qū)動(dòng)總成的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是一種特殊的空心軸電動(dòng)機(jī)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)一端的外殼中安裝傳動(dòng)裝置減速器齒輪及差速器齒輪，差速器帶動(dòng)左右兩個(gè)半軸來驅(qū)動(dòng)車輪，其中一側(cè)半軸是通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的空心軸后和車輪相連，另一側(cè)半軸是通過減速器端外殼后和車輪相連。相比于平行軸式電驅(qū)動(dòng)總成，同軸式電驅(qū)動(dòng)總成結(jié)構(gòu)更緊湊、質(zhì)量分布更均勻。圖1平行軸式電驅(qū)動(dòng)總成結(jié)構(gòu)示意圖圖2同軸式電驅(qū)動(dòng)總成結(jié)構(gòu)示意圖不同結(jié)構(gòu)形式的電驅(qū)動(dòng)總成在性能、體積、成本上存在一定的差異。根據(jù)文獻(xiàn)[1]介紹，多擋化、輕量化、集成化以及多目標(biāo)控制是電驅(qū)動(dòng)總成未來的發(fā)展趨勢(shì)。在前期整車平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，一方面需根據(jù)整車動(dòng)力性需求選擇合適大小的電驅(qū)動(dòng)總成；另一方面需根據(jù)前艙布置空間及前艙平臺(tái)架構(gòu)規(guī)劃選擇合適的電驅(qū)動(dòng)總成結(jié)構(gòu)形2純電動(dòng)汽車前艙布置架構(gòu)分析2.1純電動(dòng)汽車前艙布置架構(gòu)前艙空間作為整車的重要組成部分，必然受到整車尺寸的嚴(yán)格控制，從整車尺寸的協(xié)調(diào)性考慮，整車的長寬高、輪距、軸距、前懸長度、前艙蓋高度甚至駕駛員視野等都對(duì)前艙空間有著直接的影響。前艙的布置集成需在整車約束的前提下兼顧各子系統(tǒng)的技術(shù)要求，使前艙零部件各得其所，確保相互之間的合理間隙，確保各零部件的協(xié)調(diào)工作并滿足整車性能要求。根據(jù)純電動(dòng)汽車前艙電驅(qū)動(dòng)總成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及前艙空間尺寸鏈關(guān)系，建立一種全新的純電動(dòng)汽車前艙架構(gòu)模型，如圖3、圖4所示。圖3純電動(dòng)汽車前艙縱向和垂向布置架構(gòu)2.2前艙縱向架構(gòu)空間分析如圖3所示，前艙的縱向空間主要受整車前懸長度L1（即前輪心到整車最前端的水平距離）以及駕駛員腳踵點(diǎn)到前輪心的距離L2決定。前艙縱向布置架構(gòu)對(duì)整車碰撞安全性能有著非常重要的影響。在確定前艙縱向布置架構(gòu)時(shí)，首先需要確定電驅(qū)動(dòng)總成的布置位置，并考慮電驅(qū)動(dòng)總成懸置的安裝固定位置及轉(zhuǎn)向機(jī)的布置位置，平衡出充足的整車碰撞潰縮吸能空間。前艙的縱向尺寸鏈可簡(jiǎn)單劃分為如圖3所示的3部分，分別為前防撞梁到電驅(qū)動(dòng)總成（轉(zhuǎn)向機(jī)）之間的潰縮安全距離A、電驅(qū)動(dòng)總成縱向?qū)挾菳、電驅(qū)動(dòng)總成到前圍板之間的潰縮安全距離C。電驅(qū)動(dòng)總成占據(jù)了前艙縱向的大部分空間，而電驅(qū)動(dòng)總成在碰撞過程中作為一個(gè)不變形的剛體，起不到吸能的作用，碰撞過程中車身的吸能主要靠電驅(qū)動(dòng)總成前部的潰縮區(qū)A和后部的潰縮區(qū)C來完成，所以在布置前艙高壓部件時(shí)需要避開上述兩個(gè)潰縮區(qū)。一方面可以保證整車有充足的潰縮吸能區(qū)，提高碰撞安全性能；另一方面防止高壓部件在碰撞過程中受到?jīng)_擊而損壞，降低維修成本。2.3前艙垂向架構(gòu)空間分析如圖3所示，前艙的垂向空間主要受前艙蓋高度的約束，而前艙蓋的高度主要和駕駛員的前下視野目標(biāo)和行人保護(hù)等要求直接相關(guān)。相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱，純電動(dòng)汽車前艙電驅(qū)動(dòng)總成整體尺寸較小，純電動(dòng)汽車前艙垂向通常采用雙層布置，即下層空間布置電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)等部件，上層空間布置體積相對(duì)較小的零部件，如整車控制器、直流/直流（DirectCurrent/DirectCurrent,DC/DC）轉(zhuǎn)換器、高壓電器盒、充電機(jī)、熱泵集成模塊等部件。電動(dòng)汽車前艙上層布置空間靈活性較高，可以根據(jù)轎車和運(yùn)動(dòng)型多用途汽車不同的前艙蓋高度進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整。2.4前艙橫向架構(gòu)空間分析前艙的橫向空間主要受整車寬度的約束，反過來前艙的橫向空間布置也基本決定了一輛整車的車寬所需要的狀態(tài)，因?yàn)檎噷挾然臼乔芭摍M向尺寸鏈疊加獲得的。如圖4所示，前艙橫向尺寸鏈由左側(cè)車輪懸架及其包絡(luò)空間a、左縱梁寬度b、左縱梁與電驅(qū)動(dòng)總成間隙c、電驅(qū)動(dòng)總成橫向?qū)挾萪、電驅(qū)動(dòng)總成與右縱梁間隙e、右縱梁寬度f、右側(cè)車輪懸架及其包絡(luò)空間g組成，即a+b+c+d+e+f+g的尺寸基本決定了整車的輪距和車寬。圖4純電動(dòng)汽車前艙橫向布置架構(gòu)3前艙電驅(qū)動(dòng)總成位置定義電驅(qū)動(dòng)總成位置定義主要包括差速器輸出軸位置定義及電驅(qū)動(dòng)總成整車安裝姿態(tài)定義。3.1電驅(qū)動(dòng)總成位置與驅(qū)動(dòng)軸夾角驅(qū)動(dòng)軸是連接電驅(qū)動(dòng)總成和車輪，傳遞車輛由外球節(jié)A、內(nèi)球節(jié)B和軸桿組成，驅(qū)動(dòng)軸夾角是指減速器輸出軸中心線與驅(qū)動(dòng)軸軸桿之間的夾角。一方面，驅(qū)動(dòng)軸夾角越小，其所受到的軸向力和徑向力越小，高速行駛時(shí)的振動(dòng)越小，且萬向節(jié)磨損越慢，使用壽命越長；另一方面，在車輪上跳極限、下跳極限和轉(zhuǎn)向極限等工況下，驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)外端萬向節(jié)角度需小于萬向節(jié)最大工作許圖5驅(qū)動(dòng)軸夾角示意圖在前艙電驅(qū)動(dòng)總成布置時(shí)，首先需要根據(jù)前輪心位置來調(diào)整減速器輸出軸的位置，以滿足驅(qū)動(dòng)軸布置夾角要求。在整車高度方向上，通常外球節(jié)A與內(nèi)球節(jié)B期望的布置形式是在空載狀態(tài)的增加，B會(huì)逐漸下降且不會(huì)超過空載時(shí)AB的高度差，這樣驅(qū)動(dòng)軸角度在載荷的變化過程中始終保持較小的狀態(tài)。在水平投影面上，通過調(diào)整減在XOY平面內(nèi)的投影角度盡量小，這樣使得車輪處于極限轉(zhuǎn)角位置時(shí)，萬向節(jié)角度處于最小化狀3.2電驅(qū)動(dòng)總成安裝姿態(tài)根據(jù)驅(qū)動(dòng)軸夾角要求確定差速器輸出軸的位置后，需結(jié)合前艙布置架構(gòu)策略來確定電驅(qū)動(dòng)總驅(qū)動(dòng)總成，在整車側(cè)視圖方向，根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸和差速器輸出軸的相對(duì)位置不同，可分為電機(jī)前置和電機(jī)后置兩種安裝姿態(tài)。將驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸中心和差速器輸出軸中心的連線與水平面之間的夾角θ定義為電驅(qū)動(dòng)總成整車安裝姿態(tài)角。因驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器自身冷卻和潤滑的需要，確保減速器儲(chǔ)油量，其安裝姿態(tài)角需控制在一定的范圍內(nèi)，這是電驅(qū)動(dòng)總成布置需要考慮的前提條件。圖6電機(jī)前置安裝姿態(tài)圖7電機(jī)后置安裝姿態(tài)電驅(qū)動(dòng)總成安裝姿態(tài)的選擇對(duì)整個(gè)前艙布置架構(gòu)，以及后續(xù)平臺(tái)拓展空間的影響較大。一方面，需根據(jù)不同的碰撞安全等級(jí)要求，設(shè)定合理的前碰安全間隙，縱向間隙越大越有利于碰撞安全，對(duì)于電機(jī)前置形式，碰撞安全間隙主要設(shè)置在電驅(qū)動(dòng)總成和前圍板之間，對(duì)于電機(jī)后置形式，碰撞安全間隙主要設(shè)置在動(dòng)力總成前方區(qū)域；另一方面，需考慮電驅(qū)動(dòng)總成懸置的安裝位置，不同的電驅(qū)動(dòng)總成安裝姿態(tài)，其懸置的安裝固定位置存在較大差異。4前艙電驅(qū)動(dòng)總成懸置布置原則分析4.1電驅(qū)動(dòng)總成懸置布置原則根據(jù)文獻(xiàn)[4]介紹，純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)總成懸置一般采用三點(diǎn)或四點(diǎn)質(zhì)心布置形式，即通過三個(gè)或四個(gè)懸置支撐電驅(qū)動(dòng)總成，且在俯視圖上使電驅(qū)動(dòng)總成的質(zhì)心位置盡可能落在各懸置彈性中心點(diǎn)所構(gòu)成的三角形或四邊形區(qū)域內(nèi)。圖8為平行軸電驅(qū)動(dòng)總成懸置的4種不同安裝位置，其懸置襯套軸線方向可根據(jù)前艙布置空間及懸置限位需求進(jìn)行調(diào)整，即可將襯套軸線設(shè)置為整車橫向或縱向。表1列出了4種懸置布置方案對(duì)應(yīng)的前后懸置中心在水平面上投影的X向跨距。(a)方案A(b)方案B(c)方案C(d)方案D圖8電驅(qū)動(dòng)總成懸置布置形式表1不同布置形式對(duì)應(yīng)的前后懸置縱向跨距尺寸方案類型布置形式縱向跨距/mmABCD三點(diǎn)質(zhì)心三點(diǎn)質(zhì)心四點(diǎn)質(zhì)心四點(diǎn)質(zhì)心350400350400以上4種懸置布置形式，基于相同的懸置靜剛度曲線，建立簡(jiǎn)化模型，分析在相同的電驅(qū)動(dòng)總成輪端峰值扭矩3000Nm作用下各懸置受力情況，如圖9所示。通過分析可得如下結(jié)果。1）方案A和方案B為典型的三點(diǎn)質(zhì)心布置形式。在布置空間上，方案A占用前艙縱向布置空間相對(duì)較小，較適合于電機(jī)后置的前艙架構(gòu)；在懸置受力大小方面，方案A和方案B的相同特點(diǎn)是前懸置（即差速器懸置）受力明顯大于左后懸置和右后懸置；相比于方案A，方案B因前后不同幅度的降低，且前懸置的受力降低幅度最大。圖9不同懸置布置形式對(duì)應(yīng)的垂向受力2）方案C和方案D為四點(diǎn)質(zhì)心布置形式。由于方案C的左前懸置和右前懸置為非對(duì)稱布置，使得左后懸置和右后懸置受力大小不均衡，即右后懸置受力接近于左后懸置受力的兩倍。方受力大小比較均衡。綜上分析，不同的懸置安裝位置及安裝形式，對(duì)前艙空間的占用情況不同，對(duì)應(yīng)的單個(gè)懸置受力大小也不同。在確定前艙電驅(qū)動(dòng)總成布置位置時(shí)，應(yīng)選擇合理的懸置數(shù)量及懸置安裝位置，盡可能加大前后懸置X向跨距尺寸，以實(shí)現(xiàn)最大的抗扭限位能力，使得各懸置受力分配更均衡。4.2不同姿態(tài)的電驅(qū)動(dòng)總成懸置布置方案受前艙縱向空間的限制，對(duì)于中心距較大的平行軸電驅(qū)動(dòng)總成很難實(shí)現(xiàn)水平布置，最常見的方法是加大電驅(qū)動(dòng)總成布置姿態(tài)角，以均衡前艙縱向布置空間。隨著電驅(qū)動(dòng)總成布置姿態(tài)角的加大，整個(gè)電驅(qū)動(dòng)總成的質(zhì)心位置相對(duì)于副車架平面的高度變大。若將三個(gè)懸置都布置在副車架平面上，則三個(gè)懸置中心都處在電驅(qū)動(dòng)總成質(zhì)心下方，在整車制動(dòng)等沖擊工況下，電驅(qū)動(dòng)總成將在水平方向的慣性力作用下，產(chǎn)生水平方向上的平動(dòng)位移，若未得到有效的約束限位，則影響整車的駕乘舒適性。如圖10所示，對(duì)于安裝姿態(tài)角較大的電驅(qū)動(dòng)總成布置，為了更好地約束電驅(qū)總成的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，可采取兩個(gè)方面措施。一方面采用四點(diǎn)懸置支撐，提高電驅(qū)動(dòng)總成平動(dòng)約束剛度；另一方面通過抬高一側(cè)懸置（前懸置或后懸置）的安裝位置，使得電驅(qū)動(dòng)總成質(zhì)心到四個(gè)懸置中心點(diǎn)構(gòu)成的平面的垂直距離減小，以抑制電驅(qū)動(dòng)總成的水平晃動(dòng)。(a)方案A(b)方案B圖10大姿態(tài)角電驅(qū)動(dòng)總成懸置布置形式5前艙轉(zhuǎn)向機(jī)布置方法分析轉(zhuǎn)向機(jī)是前艙布置架構(gòu)中的重要部件之一，通常安裝固定在副車架上。作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)的布置位置決定了轉(zhuǎn)向梯形的合理性，對(duì)車輛轉(zhuǎn)向特性及懸架動(dòng)力學(xué)特性影響較大。如圖11所示，根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)齒條和整車前輪心機(jī)后置兩種布置形式。在電動(dòng)汽車前艙布置架構(gòu)中，較多采用轉(zhuǎn)向機(jī)前置的布置形式，一方面，配合前懸架下控制臂前置方案，可在電驅(qū)動(dòng)總成和整車動(dòng)力電池之間讓出更多的縱向空間，以容置更大的整車動(dòng)力電池；另一方面，避免電驅(qū)動(dòng)總成高壓線束從轉(zhuǎn)向機(jī)上方跨過，以減小電磁干擾對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)控制器的